Se descubrió que la creación de ondas en el material 2D, el disulfuro de molibdeno, aumenta la movilidad del portador en dos órdenes a temperatura ambiente, lo que permite que los electrones se muevan más rápido a través del material. Crédito:Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales de A*STAR
Los semiconductores bidimensionales (2D) tienen una propiedad única que permite que su grosor se reduzca a uno o unos pocos átomos, y esta propiedad podría minimizar los efectos de canal corto que siguen siendo un problema en los transistores avanzados basados en silicio, por ejemplo, encender un transistor prematuramente.
A pesar del potencial que poseen los semiconductores 2D para reemplazar materiales semiconductores convencionales como el silicio en el futuro, queda un desafío clave:su baja movilidad de portadores a temperatura ambiente, causada por una fuerte dispersión entre electrones y fonones.
Las condiciones de la carretera y del tráfico determinan la cantidad de tiempo y energía que una persona gasta viajando de un lugar a otro. De manera similar, la movilidad del portador mide qué tan rápido un portador, como un electrón o un hueco, puede moverse a través de un material cuando hay un campo eléctrico. Esta característica también determina si un material semiconductor es adecuado para dispositivos electrónicos.
La alta movilidad de los portadores puede reducir efectivamente la disipación de energía en los circuitos integrados y reducir el consumo general de energía, prolongando así la vida útil de los dispositivos o sistemas eléctricos, así como reduciendo los costos de funcionamiento de estos dispositivos o sistemas.
Investigadores del Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales (IMRE) de la Agencia para la Ciencia, Tecnología e Investigación (A*STAR), la Universidad de Fudan, la Universidad Nacional de Singapur y la Universidad Politécnica de Hong Kong descubrieron recientemente que colocar materiales 2D en sustratos con morfologías abombadas puede mejorar la movilidad del portador a temperatura ambiente en dos órdenes. Estas protuberancias crean ondas en el material, distorsionando así su estructura reticular, moviendo uno o más átomos de su posición original en una estructura ideal.
Este enfoque contrasta con las estrategias convencionales que se basan en estructuras reticulares perfectas para mejorar la movilidad de los portadores, ya que se considera que cualquier forma de impureza o distorsión reticular afecta negativamente a la movilidad.
En un estudio publicado en Nature Electronics en junio de 2022, los investigadores observaron que el disulfuro de molibdeno 2D ondulado (MoS2 ) con distorsiones de red crean una polarización eléctrica más grande que puede volver a normalizar la frecuencia de los fonones. Esta frecuencia de fonones renormalizada reduce efectivamente la fuerza de la dispersión entre electrones y fonones, lo que aumenta la movilidad de la portadora en MoS2 . Esto significa que los electrones ahora pueden moverse más rápido a través del material.
Los resultados del estudio muestran que la movilidad de los portadores a temperatura ambiente mejora en dos órdenes en MoS2 ondulado , alcanzando aproximadamente 900 cm 2 V -1 s -1 . El resultado observado supera la movilidad de portadora limitada por fonones prevista de MoS2 plano de 200–410 cm 2 V -1 s -1 .
A través del estudio, creando protuberancias en la estructura reticular de MoS2 se encontró que superaba el límite intrínseco de movilidad del portador del material. Esto allana el camino para MoS2 y otros materiales 2D que se utilizarán para crear transistores de efecto de campo y dispositivos termoeléctricos con un rendimiento competitivo a temperatura ambiente.
"Nuestro enfoque es simple y rentable, y demuestra que la ingeniería de celosía es una estrategia eficaz para crear dispositivos electrónicos y termoeléctricos a temperatura ambiente de alto rendimiento para la electrónica del futuro", dijo el Dr. Wu Jing, científico de IMRE de A*STAR.
"Revelamos además el mecanismo subyacente de que la movilidad mejorada del portador se debe a la dispersión suprimida de electrones y fonones y al aumento de la constante dieléctrica intrínseca inducida por las estructuras onduladas en el semiconductor 2D. Ambos tienen efectos sinérgicos para impulsar la movilidad intrínseca del portador". dijo el Dr. Yang Ming, profesor asistente en el Departamento de Física Aplicada de la Universidad Politécnica de Hong Kong. Uso de distorsiones de red para mejorar la movilidad de portadores en semiconductores 2D
